一种sers基底单层膜的制备方法及该sers基底单层膜的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种SERS基底单层膜的制备方法，其包括以下步骤：1)制备长径比为3.8-4.2的金纳米棒水溶液；2)将金纳米棒水溶液离心，再复溶分散在CTAB水溶液中，所得的金纳米棒CTAB水溶液中金纳米棒和CTAB的浓度比例为1-3:1000；3)配制巯基烷烃的乙醇溶液；将所述巯基烷烃乙醇溶液滴加至步骤2)制备的金纳米棒CTAB水溶液中，所述巯基烷烃乙醇溶液和金纳米棒CTAB水溶液的体积比为1:9-10，充分搅拌，制得配体置换混合溶液；4)加入有机溶剂，所述有机溶剂与配体置换混合溶液的体积比为1.1-1.5:1，静置样品，在水相上表面制得SERS基底单层膜。本发明还公开了由所述方法制备的SERS基底单层膜，其稳定性高、增强效果好、重现性强，可用于检测生物探针分子。
【专利说明】一种SERS基底单层膜的制备方法及该SERS基底单层膜
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种SERS基底单层膜的制备方法及该SERS基底单层膜，具体涉及通 过在水汽界面利用金纳米棒自组装进行的一种SERS基底单层膜的制备方法及该SERS基底 单层膜。
【背景技术】
[0002] 拉曼光谱是一种非接触无损的分析技术，它是基于光和材料内化学键的相互作用 而产生的。拉曼光谱可以提供样品化学结构、相和形态、结晶以及分子相互作用的详细信 息。但是在一般情况下，它的信号强度非常弱，限制了其应用范围。如何增加其光谱强度是 拉曼光谱研究中的关键问题。表面增强拉曼散射（SERS)技术克服了传统拉曼光谱与生俱 来的信号微弱的缺点，可以使得拉曼增强因子高达1〇 14-1〇15,具有极高的灵敏度，是一种强 大的检测低浓度分析物的痕量分析技术，甚至可以实现单分子检测。因此，在化学、生物、环 境等领域都是非常重要的分析手段。近年来，随着对纳米材料自组装技术的不断深入研究， 利用纳米材料自组装SERS基底的研究也成为SERS的一个重要分支。
[0003] 目前，学术界普遍认同的SERS机理主要有物理增强机理和化学增强机理两类。 SERS的活性表面往往能产生增强的局域电场，是金属表面等离子共振引起的，这被称为物 理增强；分子在金属上的吸附常伴随着电荷的转移引起分子能级的变化，或者分子吸附在 特别的金属表面结构点上也导致增强，这两种情况均被称为化学增强。然而SERS要求基底 为金、银、铜等少数金属且基底表面是粗糙的，这大大限制了 SERS技术的应用。基底材料和 形貌的普适性问题一直是制约SERS技术发展的关键问题。
[0004] 专利CN103604798A公开了一种用阴离子修饰纳米粒子增强拉曼光谱的方法，其 以金属纳米粒子为内核，以满单层强吸附的阴离子为修饰层，从而获得表面改性的纳米粒 子用作SERS基底。专利CN102706856A公开了一种增强拉曼纳米粒子及其制备方法，其在 金属纳米粒子表面包裹一层聚多巴胺，用于防治探针污染。现有的增强基底无法获得表面 均一的金属纳米粒子，制备金属纳米粒子SERS基底的方法主要是通过将金纳米棒溶液滴 加在基片上，待溶剂挥发完全后，剩余的金纳米棒在基片上形成金属纳米棒基底。但是，这 种方法获得的SERS基底规模小（在几十微米以下），结构散布于基板上不连续，无法定位， 整体上呈现无序的状态，也并未取得优异灵敏度。
[0005] 由此可见，如何制备表面均一、灵敏度高的金属纳米粒子增强基底是本领域的一 项挑战。寻求一种稳定性高、增强效果好、重现性强的增强体系，实现纳米粒子组装体系中 粒子的粒径及其分布的可控性和均一性是构筑SERS活性基底的关键。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的之一在于提供一种SERS基底单层膜的制备方法，其能实现纳米粒 子组装体系中粒子的粒径及其分布的可控性和均一性
[0007] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：
[0008] -种SERS基底单层膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0009] 1)制备长径比为3. 8-4. 2的金纳米棒水溶液；
[0010] 2)将金纳米棒水溶液离心，再复溶分散在CTAB水溶液中，所得的金纳米棒CTAB水 溶液中金纳米棒和CTAB的浓度比例为1-3:1000 ;
[0011] 3)配制巯基烷烃的乙醇溶液；将所述巯基烷烃乙醇溶液滴加至步骤2)制备的金 纳米棒CTAB水溶液中，所述巯基烷烃乙醇溶液和金纳米棒CTAB水溶液的体积比为1:9-10 ; 充分搅拌，配体置换混合溶液；
[0012] 4)加入有机溶剂，所述有机溶剂与所述配体置换混合溶液的体积比为 1. 1-1. 5:1，静置样品，在水相上表面制得所述SERS基底单层膜。
[0013] 由此利用金纳米棒在水汽界面的自组装成大规模有序排列的单层膜，提供一种高 效组装SERS基底的方法。
[0014] 优选地，在步骤1)中，制备所述水溶液的方法为种子成长法。
[0015] 在步骤2)中，所述CTAB水溶液的浓度IX ΚΤπιοΙΙ^-ΙδΧ Κ^πιοΙΓ1，所得的金纳 米棒CTAB水溶液中金纳米棒和CTAB的浓度比例为1-3:1000,在低浓度的CTAB水溶液中实 现对金纳米棒的初步改性。并且在此过程中若金纳米棒出现不可逆团聚则须重新配置；
[0016] 在步骤3)中，配制一定浓度的巯基烷烃溶液，以使其在下一步骤中能够成功替换 掉连接在金纳米棒表面的CTAB ;所述巯基烷烃为碳原子数为9-12的烷基硫醇，优选地，其 为壬基硫醇、癸基硫醇、i^一烷基硫醇和十二烷基硫醇中的一种或至少两种的混合物；将 巯基烷烃溶液逐渐加入到高速搅拌的金纳米棒CTAB水溶液中，充分搅拌，并且保持足够的 时间使巯基烷烃能够替换掉金纳米棒表面配体CTAB。优选地，所述搅拌的转速为600r/ min-800r/min ;所述搅拌的时间为l_6min。
[0017] 在步骤4)中，加入有机溶剂，促使金纳米棒转移到水相上表面均匀排布。静置样 品，金纳米棒在水相上表面汇聚成一单层平铺的膜。所述有机溶剂为密度比水大且与水不 互溶的有机溶剂，优选氯仿和/或二氯甲烷。
[0018] 根据上述步骤制备自组装SERS基底单层膜，通过控制步骤3)中巯基烷烃溶液的 浓度可调控溶液中金纳米棒的自组装方式和SERS基底单层膜的取向。其有两种取向方式， 平铺取向和垂直取向。两种不同的取向方式分别对应金纳米棒平铺自组装SER基底单层膜 和金纳米棒垂直阵列自组装SERS基底单层膜。
[0019] 在步骤3)中，配置所述巯基烷烃的乙醇溶液时，巯基烷烃和乙醇的体积比为 1-2:8-9,优选2:7。从而制得金纳米棒平铺自组装SERS基底单层膜。
[0020] 由此本发明的另一目的在于提供一种根据上述方法制备的金纳米棒平铺 自组装SER基底单层膜，所述SERS基底单层膜具有金纳米棒平铺阵列，成膜面积约 3. 7 μ mX 3. 7 μ m，金纳米棒间距约为1-2. 5nm，金纳米棒的平铺取向率约为93% -96%。这 种小的棒间距引发了金纳米棒间等离子振动的强烈耦合，使得位点具有拉曼增强效果。金 纳米棒的平铺取向率约为93% -96%。
[0021] 或者，在步骤3)中，配置所述巯基烷烃的乙醇溶液时，巯基烷烃和乙醇的体积比 为3-5:5-7,优选5:7。从而制得金纳米棒垂直阵列自组装SERS基底单层膜。
[0022] 由此发明的又一目的在于提供一种根据上述方法制备的金纳米棒垂直阵列 自组装SERS基底单层膜，所述SERS基底单层膜具有金纳米棒垂直阵列，成膜面积约 4 μ mX4 μ m，金纳米棒间距约为1-2. 5nm，金纳米棒的垂直取向率约为95%-98%。分别使 用不同浓度巯基烷烃乙醇溶液制备的两种SERE基底单层膜具有几乎一致的金纳米棒趋向 率，保证了拉曼增强因子的空间均匀度。利用该自组装方法制备的SERS基底单层膜的膜面 积大，平整度好，均一性高
[0023] 本发明的目的还在于提供所述金纳米棒平铺自组装SERS基底单层膜和金纳米棒 垂直阵列自组装SERS基底单层膜在检测生物探针分子中的用途。将本发明的垂直阵列自 组装SERS基底单层膜用于检测探针分子罗丹明6G，该SERS基底信号增强高，拉曼峰强，有 很好的识别度，并将探针分子的浓度与拉曼增强强度做图，发现其线性宽，灵敏度高。
[0024] 本发明提供一种SERS基底单层膜的制备方法，由此制备的SERS成膜面积大，可达 4以 11^4以111;棒间距小，仅为1-2.511111，引发了金纳米棒间等离子振动的强烈耦合，造成位 点具有拉曼增强效果；取向率可达到98%，几乎一致的金纳米棒趋向率，保证了拉曼增强 因子的空间均匀度，从而可实现纳米粒子组装体系中粒子的粒径及其分布的可控性和均一 性。所述SERS基底单层膜用于检测生物探针分子，该SERS基底信号增强高，拉曼峰强，有 很好的识别度，生物探针分子的浓度与拉曼增强强度呈现良好的线性关系，重复性好，灵敏 度高，线性范围宽。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1为本发明金纳米棒平铺自组装SERS基底单层膜示意图。
[0026] 图2为本发明的金纳米棒平铺自组装SERS基底单层膜的扫描电子显微镜照片。
[0027] 图3为本发明金纳米棒垂直自组装SERS基底单层膜示意图。
[0028] 图4为本发明的金纳米棒垂直自组装SERS基底单层膜的扫描电子显微镜照片。
[0029] 图5为罗丹明6G在SERS基底上的拉曼信号强度图。
[0030] 图6为罗丹明6G在SERS基底上的信号强度与其浓度对数的线性关系图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图并通过【具体实施方式】来进一步说明本发明的技术方案。
[0032] 实施例1 :金纳米棒平铺自组装SERS基底单层膜的制备方法
[0033] 使用种子生长法制备长径比为3. 8的金纳米棒水溶液。将制备的金纳米棒水溶液 离心浓缩，再分散在浓度约1 X ΙΟ^ιιοΙΓ1的CTAB水溶液中，所得的金纳米棒CTAB水溶液中 金纳米棒和CTAB的浓度比例为1:1000,静置备用。配制配体置换溶液，即巯基烷烃乙醇溶 液，其中巯基烷与乙醇的体积比约为1:9。取金纳米棒CTAB水溶液于样品瓶中，滴加巯基 烷溶液并在600r/min转速下匀速搅拌1分钟，使其与金纳米棒充分接触以进行有效配体置 换，所述巯基烷烃乙醇溶液和金纳米棒CTAB水溶液的体积比为1:9,得配体置换混合溶液。 加入氯仿，其与配体置换混合溶液的体积比为1. 1:1，促使巯基烷修饰的金纳米棒转移到水 相上表面。静置样品，使金纳米棒在水相上表面汇聚成一单层平铺的膜。
[0034] 实施例2
[0035] 使用种子生长法制备长径比为4. 2的金纳米棒水溶液。将制备的金纳米棒水溶液 离心浓缩，再分散在浓度约15 X ΙΟΑιοΙΓ1的CTAB水溶液中，所得的金纳米棒CTAB水溶液 中金纳米棒和CTAB的浓度比例为3:1000,静置备用。配制配体置换溶液，即巯基烷烃乙醇 溶液，其中巯基烷与乙醇的体积比约为1:4。取金纳米棒CTAB水溶液于样品瓶中，滴加巯 基烷溶液并在800r/min转速下匀速搅拌6分钟，使其与金纳米棒充分接触以进行有效配体 置换，所述巯基烷烃乙醇溶液和金纳米棒CTAB水溶液的体积比为1:10,得配体置换混合溶 液。加入氯仿，其与配体置换混合溶液的体积比为1.5:1，促使巯基烷修饰的金纳米棒转移 到水相上表面。静置样品，使金纳米棒在水相上表面汇聚成一单层平铺的膜。
[0036] 实施例3
[0037] 使用种子生长法制备长径比为4. 0的金纳米棒水溶液。将制备的金纳米棒水溶液 离心浓缩，再分散在浓度约8 X KTmoir1的CTAB水溶液中，所得的金纳米棒CTAB水溶液中 金纳米棒和CTAB的浓度比例为2:1000,静置备用。配制配体置换溶液，即巯基烷烃乙醇溶 液，其中巯基烷与乙醇的体积比约为2:7。取金纳米棒CTAB水溶液于样品瓶中，滴加巯基 烷溶液并在700r/min转速下匀速搅拌4分钟，使其与金纳米棒充分接触以进行有效配体置 换，所述巯基烷烃乙醇溶液和金纳米棒CTAB水溶液的体积比为1:9,得配体置换混合溶液。 加入氯仿，其与配体置换混合溶液的体积比为1. 1:1，促使巯基烷修饰的金纳米棒转移到水 相上表面。静置样品，使金纳米棒在水相上表面汇聚成一单层平铺的膜。其示意图如图1， 扫描电子显微镜照片如图2。通过检测，其成膜面积约3. 7 μ mX 3. 7 μ m，金纳米棒间距约为 1-2. 5nm，这种小的棒间距引发了金纳米棒间等离子振动的强烈耦合，使得位点具有拉曼增 强效果。金纳米棒的平铺取向率约为93%-96%，几乎一致的金纳米棒趋向率，保证了拉曼 增强因子的空间均匀度。利用该自组装方法制备的膜面积大，平整度好，均一性高。
[0038] 实施例4 :金纳米棒垂直自组装SERS基底单层膜的制备方法
[0039] 使用种子生长法制备长径比为3. 8的金纳米棒水溶液。将制备的金纳米棒水溶液 离心浓缩，再分散在浓度约1 X lO^noir1的CTAB水溶液中，所得的金纳米棒CTAB水溶液中 金纳米棒和CTAB的浓度比例为1:1000,静置备用。配制配体置换溶液，即巯基烷烃乙醇溶 液，其中巯基烷与乙醇的体积比约为3:7。取金纳米棒CTAB水溶液于样品瓶中，滴加巯基 烷溶液并在600r/min转速下匀速搅拌1分钟，使其与金纳米棒充分接触以进行有效配体置 换，所述巯基烷烃乙醇溶液和金纳米棒CTAB水溶液的体积比为1:9,得配体置换混合溶液。 加入氯仿，其与配体置换混合溶液的体积比为1. 1:1，促使巯基烷修饰的金纳米棒转移到水 相上表面。静置样品，使GNR在水相上表面汇聚成一单层平铺的膜。
[0040] 实施例5
[0041] 使用种子生长法制备长径比为4. 2的金纳米棒水溶液。将制备的金纳米棒水溶液 离心浓缩，再分散在浓度约15 X ΙΟΑιοΙΓ1的CTAB水溶液中，所得的金纳米棒CTAB水溶液 中金纳米棒和CTAB的浓度比例为3:1000,静置备用。配制配体置换溶液，即巯基烷烃乙醇 溶液，其中巯基烷与乙醇的体积比约为1:1。取金纳米棒CTAB水溶液于样品瓶中，滴加巯 基烷溶液并在800r/min转速下匀速搅拌6分钟，使其与金纳米棒充分接触以进行有效配体 置换，所述巯基烷烃乙醇溶液和金纳米棒CTAB水溶液的体积比为1:10,得配体置换混合溶 液。加入氯仿，其与配体置换混合溶液的体积比为1. 5:1促使巯基烷修饰的金纳米棒转移 到水相上表面。静置样品，使金纳米棒在水相上表面汇聚成一单层平铺的膜。
[0042] 实施例6
[0043] 使用种子生长法制备长径比为4. 0的金纳米棒水溶液。将制备的金纳米棒水溶液 离心浓缩，再分散在浓度约8 X ΙΟΑιοΙΓ1的CTAB水溶液中，所得的金纳米棒CTAB水溶液 中金纳米棒和CTAB的浓度比例为2:1000,静置备用。配制配体置换溶液，即巯基烷烃乙醇 溶液，其中巯基烷与乙醇的体积比约为5:7。取金纳米棒CTAB水溶液于样品瓶中，滴加巯 基烷溶液并在700r/min转速下匀速搅拌4分钟，使其与金纳米棒充分接触以进行有效配体 置换，所述巯基烷烃乙醇溶液和金纳米棒CTAB水溶液的体积比为1:10,得配体置换混合溶 液。加入氯仿，其与配体置换混合溶液的体积比为1. 1:1，促使巯基烷修饰的金纳米棒转移 到水相上表面。静置样品，使金纳米棒在水相上表面汇聚成一单层平铺的膜。其示意图如 图3,扫描电子显微镜照片如图4,其成膜面积约4μ ηιΧ4μ m,金纳米棒间距约为1-2. 5nm， 这种小的棒间距引发了金纳米棒间等离子振动的强烈耦合，造成位点具有拉曼增强效果。 金纳米棒的垂直取向率约为95% -98%，这种几乎一致的金纳米棒趋向率，保证了拉曼增 强因子的空间均匀度。利用该自组装方法制备的膜面积大，平整度好，均一性高，棒间距小， 有效提高棒与棒之间的热点共振效应。
[0044] 实施例7检测生物探针分子
[0045] 使用实施例6制备的金纳米棒垂直自组装SERS基底单层膜检测探针分子罗丹明 6G，罗丹明6G在SERS基底上的拉曼信号强度如图5所示。由此拉曼图可知，该SERS基底 信号增强高，拉曼峰强，有很好的识别度。并将探针分子的浓度与拉曼增强强度做图，发现 其浓度对数与拉曼增强强度成良好的线性关系，如图6所示，其线性宽，灵敏度高，说明该 SERS基地单层膜活性高，均匀性好，适用于高灵敏度地检测低浓度的生物探针分子，并有希 望应用到其他生物体系中进行高灵敏的生物检测。
[0046] 本发明提供一种SERS基底单层膜的制备方法，由此制备的SERS基底单层膜实一 种稳定性高、增强效果好、重现性强。可实现纳米粒子组装体系中粒子的粒径及其分布的可 控性和均一性。所述SERS基底单层膜用于检测生物探针分子，生物探针分子的浓度与拉曼 增强强度呈现良好的线性关系，重复性好，灵敏度高，线性范围宽。
[0047] 申请人:声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局 限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属【技术领域】的 技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的 添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
【权利要求】
1. 一种SERS基底单层膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 制备长径比为3. 8-4. 2的金纳米棒水溶液； 2) 将金纳米棒水溶液离心，再复溶分散在CTAB水溶液中，所得的金纳米棒CTAB水溶液 中金纳米棒和CTAB的浓度比例为1-3:1000 ; 3) 配制巯基烷烃的乙醇溶液；将所述巯基烷烃乙醇溶液滴加至步骤2)制备的金纳米 棒CTAB水溶液中，所述巯基烷烃乙醇溶液和金纳米棒CTAB水溶液的体积比为1:9-10,充分 搅拌，制得配体置换混合溶液； 4) 加入有机溶剂，所述有机溶剂与所述配体置换混合溶液的体积比为1. 1-1. 5:1，静 置样品，在水相上表面制得所述SERS基底单层膜。
2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中制备所述水溶液的方法 为种子成长法。
3. 根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，所述CTAB水溶液 的浓度 1X 10^1011^-15 X l(T6molL'
4. 根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，所述巯基烷烃 为碳原子数为9_12的烧基硫醇，优选地，其为壬基硫醇、癸基硫醇、十一烧基硫醇和十_烧 基硫醇中的一种或至少两种的混合物； 优选地，所述搅拌的转速为600r/min-800r/min ; 优选地，所述搅拌的时间为l-6min。
5. 根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤4)中，所述有机溶剂 为氯仿和/或二氯甲烷。
6. 根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，配置所述巯基 烷烃的乙醇溶液时，巯基烷烃和乙醇的体积比为1-2:8-9,优选2:7,从而制得金纳米棒平 铺自组装SERS基底单层膜。
7. 根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，配置所述巯基 烷烃的乙醇溶液时，巯基烷烃和乙醇的体积比为3-5:5-7,优选5:7,从而制得金纳米棒垂 直自组装SERS基底单层膜。
8. 根据权利要求6所述的制备方法制备的金纳米棒平铺自组装SER基底单层膜，其特 征在于，所述SERS基底单层膜具有金纳米棒平铺阵列，成膜面积约3. 7 μ mX 3. 7 μ m，金纳 米棒间距约为1-2. 5nm，金纳米棒的平铺取向率约为93% -96%。
9. 根据权利要求7所述的制备方法制备的金纳米棒垂直自组装SERS基底单层膜，其特 征在于，所述SERS基底单层膜具有金纳米棒垂直阵列，成膜面积约4 μ mX 4 μ m，金纳米棒 间距约为1-2. 5nm，金纳米棒的垂直取向率约为95% -98%。
10. 根据权利要求8或9所述的SERS基底单层膜在检测生物探针分子中的用途。
【文档编号】C23C26/00GK104152897SQ201410404019
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】葛广路, 王瑞敏, 魏文博 申请人:国家纳米科学中心